Carvão técnico, sua produção

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-17 19:05

Carbon black (GOST 7885-86) é um tipo de produto industrial de carbono usado principalmente na produção de borracha como enchimento que aumenta suas propriedades de desempenho útil. Ao contrário do coque e do piche, consiste em quase um carbono, parece fuligem.

Escopo de aplicação

Aproximadamente 70% do negro de fumo produzido é usado para a fabricação de pneus, 20% - para a produção de produtos de borracha. Além disso, o carbono técnico é utilizado na produção de tintas e vernizes e na produção de tintas de impressão, onde atua como pigmento preto.

Outra área de aplicação é a produção de plásticos e bainhas de cabos. Aqui o produto é adicionado como enchimento e para dar propriedades especiais aos produtos. O negro de fumo também é usado em pequenos volumes em outras indústrias.

Característica

Carbon black é o produto de um processo que incorpora as mais recentes técnicas de engenharia e controle. Devido à sua pureza e conjunto estritamente definidopropriedades físicas e químicas, não tem nada a ver com a fuligem produzida como subproduto poluído da queima de carvão e óleo combustível, ou da operação de motores de combustão interna não regulamentados. De acordo com a classificação internacional geralmente aceita, o negro de fumo é designado Carbon Black (carbono preto traduzido do inglês), fuligem em inglês é fuligem. Ou seja, esses conceitos atualmente não estão misturados de forma alguma.

O efeito do reforço devido ao enchimento das borrachas com negro de fumo não foi menos importante para o desenvolvimento da indústria da borracha do que a descoberta do fenômeno da vulcanização da borracha com enxofre. Nos compostos de borracha, o carbono de um grande número de ingredientes usados em peso ocupa o segundo lugar depois da borracha. A influência dos indicadores de qualidade do negro de fumo nas propriedades dos produtos de borracha é muito maior do que os indicadores de qualidade do ingrediente principal - borracha.

Reforçando propriedades

Melhorar as propriedades físicas de um material pela introdução de um enchimento é chamado de reforço (reforço), e esses enchimentos são chamados de amplificadores (negro de fumo, óxido de silício precipitado). Entre todos os amplificadores, o carbono técnico possui características verdadeiramente únicas. Mesmo antes da vulcanização, ele se liga à borracha, e essa mistura não pode ser completamente separada em negro de fumo e borracha com solventes.

A resistência das borrachas com base nos elastômeros mais importantes:

Elastômero	Resistência à tração, MPa
	Vulcanizado não preenchido	Vulcanizado preenchido com negro de fumo
Borracha de estireno butadieno	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Borracha de poliacrilato	2, 1	17, 6
Borracha de polibutadieno	5, 6	21, 1

A tabela mostra as propriedades dos vulcanizados obtidos a partir de vários tipos de borracha sem enchimento e preenchidos com negro de fumo. A partir dos dados acima, pode-se ver como o enchimento de carbono afeta significativamente a resistência à tração da borracha. Aliás, outros pós dispersos usados em compostos de borracha para dar a cor desejada ou reduzir o custo da mistura - giz, caulim, talco, óxido de ferro e outros não possuem propriedades reforçadoras.

Estrutura

Carbonos naturais puros são diamantes e grafite. Eles têm uma estrutura cristalina que difere significativamente um do outro. A similaridade na estrutura do grafite natural e do material artificial negro de fumo foi estabelecida por difração de raios X. Os átomos de carbono na grafite formam grandes camadas de sistemas de anéis aromáticos condensados, com uma distância interatômica de 0,142 nm. Essas camadas de grafitesistemas aromáticos condensados são chamados de planos basais. A distância entre os planos é estritamente definida e é de 0,335 nm. Todas as camadas são paralelas entre si. A densidade do grafite é 2,26g/cm3.

Ao contrário do grafite, que possui uma ordem tridimensional, o carbono técnico é caracterizado apenas por uma ordem bidimensional. Consiste em planos de grafite bem desenvolvidos, localizados aproximadamente paralelos entre si, mas deslocados em relação às camadas adjacentes - ou seja, os planos são orientados arbitrariamente em relação à normal.

A estrutura de grafite é figurativamente comparada a um baralho de cartas cuidadosamente dobrado, e a estrutura de negro de fumo é comparada a um baralho de cartas em que as cartas são trocadas. Nele, a distância interplanar é maior que a do grafite e é de 0,350-0,365 nm. Portanto, a densidade do negro de fumo é menor que a densidade do grafite e está na faixa de 1,76-1,9 g/cm³, dependendo da marca (na maioria das vezes 1,8 g/cm ^3).

Coloração

Graus pigmentados (coloridos) de negro de fumo são usados na produção de tintas de impressão, revestimentos, plásticos, fibras, papel e materiais de construção. Eles são classificados em:

• preto de fumo de alta cor (HC);
• médio (MS);
• coloração normal (RC);
• cor baixa (LC).

A terceira letra indica o método de obtenção - forno (F) ou canal (C). Exemplo de designação: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

O poder de coloração de um produto está relacionado ao seu tamanho de partícula. Dependendo do seu tamanho, o carbono técnico é dividido em grupos:

Tamanho médio das partículas, nm	Forno grau preto
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Classificação

O carbono técnico para borracha de acordo com o grau de efeito de reforço é dividido em:

• Altamente reforçador (trilho, duro). É alocado com a maior durabilidade e resiliência ao atrito. O tamanho das partículas é pequeno (18-30 nm). Usado em correias transportadoras, bandas de rodagem de pneus.
• Semi-reforço (framework, soft). O tamanho das partículas é médio (40-60 nm). São utilizados em diversos produtos de borracha, carcaças de pneus.
• Baixo ganho. O tamanho das partículas é grande (acima de 60 nm). Uso limitado na indústria de pneus. Fornece a resistência necessária, mantendo alta elasticidade em produtos de borracha.

A classificação completa do negro de fumo é fornecida na ASTM D1765-03, aceita por todos os fabricantes e usuários globais de produtos. Nele, a classificação, em particular, é realizada de acordo com a faixa da área superficial específica das partículas:

Grupo	Área específica médiasuperfície por adsorção de nitrogênio, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Produção de negro de fumo

Existem três tecnologias para a produção de negro de fumo industrial que utilizam um ciclo de combustão incompleta de hidrocarbonetos:

• forno;
• canal;
• tubo;
• plasma.

Há também um método térmico que decompõe o acetileno ou gás natural em altas temperaturas.

Vários graus produzidos por diferentes tecnologias têm características diferentes.

Tecnologia de produção

Teoricamente, é possível obter negro de fumo por todos os métodos acima, porém, mais de 96% do produto produzido é obtido pelo método do forno a partir de matérias-primas líquidas. O método permite obter vários graus de negro de fumo com um determinado conjunto de propriedades. Por exemplo, a fábrica de negro de fumo de Omsk produz mais de 20 graus de negro de fumo usando essa tecnologia.

A tecnologia geral é essa. O reator, revestido com materiais altamente refratários, é alimentado com gás natural e ar aquecido a 800°C. Devido à combustão do gás natural, os produtos da combustão completa são formados com uma temperatura de 1820-1900 ° C, contendo uma certa quantidade de oxigênio livre. As matérias-primas de hidrocarbonetos líquidos são injetadas nos produtos de alta temperatura da combustão completa, completamente misturadas previamente e aquecidas a 200-300 °C. A pirólise das matérias-primas ocorre a uma temperatura estritamente controlada, que, dependendo da marca do negro de fumo produzido, possui valores diferentesde 1400 a 1750 ° С.

A certa distância do local de fornecimento das matérias-primas, a reação termo-oxidativa é interrompida pela injeção de água. O negro de fumo e os gases de reação formados como resultado da pirólise entram no aquecedor de ar, onde liberam parte de seu calor para o ar usado no processo, enquanto a temperatura da mistura de gás de carbono diminui de 950-1000 °С para 500-600 °С.

Após o resfriamento a 260-280 °C devido à injeção adicional de água, a mistura de negro de fumo e gases é enviada para o filtro de mangas, onde o negro de fumo é separado dos gases e entra na tremonha do filtro. O negro de fumo separado da caixa do filtro é alimentado através do gasoduto por um ventilador (turbo soprador) para a seção de granulação.

Produtores de negro de carbono

A produção global de negro de fumo ultrapassa 10 milhões de toneladas. Essa grande demanda pelo produto é explicada, em primeiro lugar, por suas propriedades únicas de reforço. As locomotivas da indústria são:

• Aditya Birla Group (Índia) - cerca de 15% do mercado.
• Cabot Corporation (EUA) - 14% do mercado.
• Orion Engineered Carbons (Luxemburgo) - 9%.

Maiores produtores russos de carbono:

• Omsktehuglerod LLC – 40% do mercado russo. Fábricas em Omsk, Volgograd, Mogilev.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.